第28卷 第6期2009年11月地 理 研 究GEOGRAPH ICAL RESEARCHVol 128,No 16Nov 1,2009收稿日期:2009202218;修订日期:2009206215基金项目:国家自然科学基金项目(40571116) 作者简介:周霞(19772),女,四川成都人,助理研究员,博士。
主要从事生态环境遥感应用研究。
E 2mail:Zhoux04b@mails 1gu cas 1ac 1cn 1鄱阳湖湿地水位与洲滩淹露模型构建周 霞1,2,赵英时1,梁文广1(11广州地理研究所,广州510070; 21中国科学院研究生院,北京100049)摘要:水是控制湿地生态过程的一个重要因子,为了研究洲滩变化和湿地草洲生长发育规律,以便更好地监测和保护湿地生态系统,有必要研究鄱阳湖水体变化特征,分析湿地洲滩水位的时空动态变化和洲滩淹露规律。
本文以鄱阳湖国家级自然保护区为例,在对鄱阳湖多年水位进行分析的基础上,利用多时相遥感影像和DEM 提取湿地洲滩特征;并在GIS 支持下综合考虑地形、鄱阳湖水位、湖泊缓冲区等因素,建立了湿地水位及洲滩淹露模型。
时空验证结果表明,该模型具有较好的模拟效果,精度在85%以上。
同时,本文根据研究区特点及水体在TM2、7波段的特征差异,构建了一个新的水体指数FDWI,提取水体精度达到98%,特别是对潮湿的沙地、植被和云有很好的区分能力。
关键词:鄱阳湖;湿地;水位;淹露;模型文章编号:100020585(2009)06217222091 引言鄱阳湖湿地位于江西省北部,是我国最大的淡水湖,也是国际重要湿地。
由于受长江和五河(赣江、修水、饶河、信江、抚河)的影响,出现季节性的水位涨落。
丰水期,湖面一望无际,面积达4600km 2,而在枯水期,湖面缩小至500km 2左右,大片的浅湖、滩地和草洲不断呈现,为家畜和野生动物特别是水鸟提供了良好的栖息地和摄食场所。
为研究洲滩变化和湿地草洲生长发育规律,保护湿地生物多样性,给当地生产和生活提供科学参考,有必要研究鄱阳湖水体变化特征,分析湿地水位的动态变化和洲滩淹露规律。
目前,已有多位学者针对鄱阳湖水体特征展开研究,主要集中在以下方面:一是湖水面积提取及变化研究,主要以遥感图像(MODIS 、NOAA 、雷达图像)为基础,结合水位、气象等资料建立水体面积预测模型[1~4];二是湖水水位变化及预测模型研究,如闵骞[5]根据鄱阳湖多年水位资料,以都昌站为代表,对鄱阳湖水位的基本特征、退水过程及演变趋势进行统计分析,并对三峡工程对鄱阳湖水位影响进行预测。
此类模型中,有根据流域降水对鄱阳湖水位的影响而建立的水位变化降水预测模型[1,6],有分析江湖关系研究鄱阳湖水位及湿地生态特征[7],也有利用MODIS 影像进行鄱阳湖区水位遥感估算[8];三是对子湖泊水位及湿地水位的研究,如胡春华等[9]分析了蚌湖与鄱阳湖的水位关系,并对不同高程滩地淹露、湿地水位对鄱阳湖的滞后效应进行分析。
以上研究虽取得了很好的成果,但主要是利用鄱阳湖各水位站资料,结合多源遥感数据进行鄱阳湖主水位及水域面积的估计,或是对滩地淹露状态进行统计分析,而对空间变化规律未作深入探讨。
6期周霞等:鄱阳湖湿地水位与洲滩淹露模型构建1723本文从湿地水位时空变化出发,以鄱阳湖国家级自然保护区为例,在对鄱阳湖多年水位分析的基础上,利用多时相遥感影像和湖区1B1万的DEM提取出湿地水体动态变化特征,并在GIS支持下对湿地水位及洲滩淹露状态进行时空尺度模拟。
2研究方法与模型建立211研究区概况与数据采集本研究以鄱阳湖国家级自然保护区为主。
保护区位于鄱阳湖西北角,地处江西省永修、新建和星子三县的交界,即赣江支流和修河复合三角洲前缘的湖滩湿地,其地理范围为东经115b55c~116b03c,北纬29b05c~29b15c。
保护区下辖9个湖泊及其草洲,总面积为224km2。
9个湖泊分别是蚌湖、大湖池、中湖池、常湖池、梅西湖、大叉湖、朱市湖、沙湖和象湖。
受鄱阳湖水系的影响,这些子湖丰水期连成一片,常水位下分割成大大小小的湖泊。
枯水期与丰水期的平均水位变幅较大。
本研究利用的数据包括1988年以来的T M/ETM影像,由1B1万的地形图所生成的DEM,以及1960~2007年湖口、星子、修水、赣江等水位站的水位数据。
基于地形图对遥感数据进行了几何校正与空间匹配,同时将各站点水位数据修正为黄海高程值。
图1为研究区遥感影像及主要水位站点分布。
图1研究区遥感影像及区内主要水文站位置(左图:MODIS;右图:TM)Fig11Main water2level stations and remot e sensing images in studied a rea(Left:M ODIS;Right:TM)212湿地水位变化的影响因素本研究中所提到的湿地水位是指研究区内子湖泊及湿地洲滩的水位,由于受到地形的影响,该水位值并不等同于鄱阳湖水位值,两者的相对关系见图2。
湿地水位主要受到鄱阳湖水位的影响,而鄱阳湖水位的涨落是/五河0来水与长江来水交互作用的结果。
根据已有研究[9],当鄱阳湖水位(本文水位均为黄海高程)低于一定值时,湿地水位不受鄱阳湖水位的影响,此时主要与蒸发和降雨有关;随着鄱阳湖水位的上升,湿地水位与鄱阳湖1724 地 理 研 究28卷相关性逐渐增大。
此外,地形对湿地水位的影响也不可忽略。
图2 湿地水位和鄱阳湖水位关系示意图F ig 12 The diagram of wetland water level and Poyang Lake waterlevel图3 1960~2001年鄱阳湖多年月平均水位Fig 13 Mont hly 2mean water level ofP oyang Lake in 1960~2001通常情况下,鄱阳湖水位用湖口水位表示,而对于本研究区而言,修水和赣江直接影响到区内各子湖泊水位,通过对多年水位资料分析,发现修水和赣江站的水位几乎相同,而星子水位站位于湖口和修水站之间,在一定程度上反映了湖口和修水水位的变化,因此本文选择具有代表性的湖口、修水和星子3个站点的水位资料参与分析(图3)。
213 湿地水体信息的遥感提取为了分析湿地水位与鄱阳湖水位的相关性,这里首先对多时相遥感影像进行湿地水体信息的提取。
TM 影像中水体信息的提取主要是依据水体在TM7个波段上光谱的不同特征以及水体与其他地物的区别,通过多波段间的不同组合运算,获得对水体信息有一定指示意义的遥感专题指数,然后通过阈值法来提取水体信息[10~13]。
考虑到水体在可见光绿波段(T M2波段)存在一定的反射,而在近红外、短波红外波段(TM4、5波段)几乎吸收全部入射能量的特点,人们多运用两者的差异组成归一化差异水体指数(ND 2WI)、湿度指数(NDMI)等水体遥感指数[14,15]。
由于本研究区内的植被、沙地常处于极端湿润状态,因而常规的NDWI 、NDMI 对提取本区水体信息均存在局限性,主要表现在对水体、湿润植被、云、湿润沙地等的混淆。
本文根据研究区特点及水体在TM 2、7波段的特征差异,将band2、band7标准化处理,获得一个新的指数FDWI,可表示为:FD WI =(band 2-band 7)/(band 2+band 7)(1)为了比较各指数对水体的提取精度,我们以2000年9月23日和2004年4月19日的遥感图像进行试验。
这两幅影像中,2000年9月23日影像有云散布,而2004年4月19日的影像为雨后获取,地物比较潮湿。
首先结合野外调查资料,采用目视解译分别选择沙地、云、植被和水体的样本460个、380个、950个和1560个,计算NDMI 、NDWI 和FDWI 的类间离散度和类内离散度以及判别因子[16](表1)。
随机将样本数据集的1/3作为训练集,2/3作为测试集,采用直方图阈值法提取水体,并进行精度评价(表2)。
结果表明,在三个指数中,FDWI 的类间离散度最大而类内离散度最小,说明其对地物的可分性最大;且FDWI 能有效地将水体与其他地物区分开来,其提取精度达到98%。
6期周霞等:鄱阳湖湿地水位与洲滩淹露模型构建1725表1水体指数的离散度Tab11Diver gence of thr ee water indices水体指数表达式类间离散度类内离散度判别因子NDMI(band22band5)/(b and2+band5)014280128511502NDWI(band22band4)/(b and2+band4)015930130111970FDWI(band22band7)/(b and2+band7)016280122821754表2水体指数的分类混淆矩阵及精度评价Ta b12Confusion matr ix a nd classification accur acy of water index测试集样本数分类结果水体植被沙地云精度易混淆像元NDMI10409582364492%潮湿沙地、云NDWI10409702204893%湿润植被、云FDWI10401020511498%极少量厚云214湿地水位值的确定湿地水位是在比较水体像元和非水体像元高程的基础上确定的。
首先,对遥感获取的水体信息进行掩膜处理,然后在GIS支持下,与研究区内DEM进行空间叠加,分别提取出水体像元和非水体像元的高程,并计算像元高程的频率分布。
考虑到本研究涉及的像元较多(上万个),根据统计学中的中心极限理论,当样本量充分大时,样本近似服从正态分布[17],因此上述两种像元的高程均可认为是正态分布。
根据像元高程的频率直方图,取两个波形的交叉点作为阈值,即区分两类像元的最适点,也就是为本文所要确定的湿地水位值。
根据对多个时相遥感图像的分析,通过该方法对水体像元和非水体像元的分类误差可控制在20%以内。
设水体像元和非水体像元的高程正态分布分别为N(L1,R22),N(L2,R22),其中,L 和R分别表示样本分布的数学期望和方差。
样本的概率密度函数为[17]f(x)=1R i2P exp-(x-L i)22R i(i=1,2)(2)在两曲线的交点处有1R12P exp-(x-L1)22R1=1R22Pexp-(x-L2)22R2(3)由式(3)得到(R2-R1)x2+2(R1L2-R2L1)x+R2L21-R1L22-2R1R2ln R2R1=0(4)通过求解以上一元二次方程(式4),可以得到交点的x值,即湿地水位值。
215湿地水位与鄱阳湖水位的相关性分析如图2所示,受到湖区地形,特别是河道堤岸的影响,湿地水位与鄱阳湖水位变化存在不一致性。